«Умный пинцет» может выделить одну бактерию из микробиома

Исследователи разработали «умный пинцет», который способен выделить конкретный бактериальный штамм из триллионов микроорганизмов и секвенировать его геном более экономичным и ресурсоэффективным способом, чем позволяют современные методы. Этот универсальный инструмент может обеспечить точные исследования микробиома и совершить прорыв в диагностике и лечении заболеваний.

Секвенирование бактериальных геномов значительно улучшило наше понимание биологии многих бактериальных патогенов и выявило новые мишени для антибиотиков.

Когда дело доходит до микробиомов, исследователи часто хотят изучить один тип бактерий, а не все из них. Проблема в том, что конкретная бактерия — это всего лишь малая часть сложной среды, включающей другие бактерии, вирусы, грибы и клетки-хозяева, каждая из которых имеет свою не менее сложную ДНК.

В настоящее время ученым необходимо изолировать определенные бактериальные штаммы из данного образца, используя питательную среду, которая избирательно выращивает этот штамм.

Это трудоемкий и ресурсоемкий процесс, который подходит не для всех бактерий. Однако исследователи из Медицинской школы Икана представили инновационный метод mEnrich-seq, предназначенный для существенного улучшения исследований микробиома.

«Представьте, что вы ученый, которому нужно изучить один конкретный тип бактерий в сложной среде», — сказал Ган Фанг, соавтор исследования. «Это все равно что пытаться найти иголку в стоге сена; mEnrich-seq, по сути, дает исследователям «умный пинцет», позволяющий взять интересующую их иголку».

При разработке mEnrich-seq исследователи стремились дифференцировать бактерии друг от друга перед секвенированием, чтобы обогатить интересующие бактерии и истощить фоновую ДНК.

Для этого инструмент использует природные мотивы метилирования бактериальной ДНК, «секретные коды», записанные на бактериальной ДНК, которые они используют, чтобы дифференцироваться как часть своей собственной иммунной системы. Действительно, в названии «mEnrich-seq» «m» означает метилирование, а «seq» — секвенирование.

Вытащив его с помощью «умного пинцета», исследователи могут собрать геном целевой бактерии, что позволяет более точно изучить его. Ученые продемонстрировали возможности mEnrich-seq, используя его на образцах мочи трех пациентов с инфекциями мочевыводящих путей (ИМП) для реконструкции геномов E. coli.

Они обнаружили, что инструмент охватывает более 99,97% геномов во всех трех образцах, что позволяет провести комплексный анализ генов, устойчивых к антибиотикам, в каждом геноме. mEnrich-seq облегчил исследование геномов E. coli из микробиома с большей чувствительностью (меньшая относительная численность бактерий), чем стандартные методы.

Затем они обратили свое внимание на Akkermansia muciniphila, бактерию, колонизирующую кишечный тракт и связанную с такими заболеваниями, как ожирение и диабет 2 типа.

Также известно, что его сложно выделить из образцов фекалий. Однако с помощью mEnrich-seq исследователям удалось это сделать, охватив более 99,7% геномов A. muciniphila из трех образцов.

Ученые говорят, что mEnrich-seq открывает новые горизонты в различных областях исследований, предлагая более экономичный подход к исследованию микробиома, который особенно полезен в крупномасштабных исследованиях с ограниченными ресурсами. Они утверждают, что mEnrich-seq может фокусироваться на широком спектре бактерий, что делает его универсальным инструментом для исследований и клинических применений. А обеспечивая более целенаправленные исследования микробиома, mEnrich-seq может ускорить разработку новых диагностических инструментов и методов лечения.

«Одним из наиболее интересных аспектов mEnrich-seq является его способность раскрывать ранее упущенные детали, такие как гены устойчивости к антибиотикам, которые традиционные методы секвенирования не могли обнаружить из-за недостаточной чувствительности», — сказал Ган Фанг. «Это может стать значительным шагом вперед в борьбе с глобальной проблемой устойчивости к антибиотикам».

Исследователи планируют усовершенствовать инструмент, чтобы еще больше повысить его эффективность и расширить спектр применения.

«Мы рассматриваем mEnrich-seq как чувствительный и универсальный инструмент для будущих исследований микробиома и клинического применения», — сказал Ган Фанг.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Methods.